JP3630553B2

JP3630553B2 - Device for controlling the directivity of a microphone

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Publication number: JP3630553B2
Application number: JP10288898A
Authority: JP
Inventors: 俊孝大和; 和広崎山; 英樹北尾; 昌宏神谷; 正孝中村; 勝人河野
Original assignee: Denso Ten Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd
Priority date: 1998-04-14
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2018-04-14
Also published as: JPH11298988A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車に使用される音声認識装置に設けられるマイクロフォンの制御方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音声認識装置は、話者が発した単語、文章を認識するものであり、音声認識装置に対する音声の入力には認識率の向上のためにヘッドセットのマイクロフォンが使用される。近年、自動車にも音声認識装置が搭載され、例えば、の音声ダイアル等に使用するために種々の開発が行われている。このハンズフリー電話システムでは、運転手がヘッドセットを付けると、運転に支障があるので、一定の場所に固定されたマイクロフォンが使用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、固定されたマイクロフォンには話者と固定マイクロフォンとの間に一定の距離が生じるため自動車の走行時に発生する車室内の騒音が入って来て音声認識装置の認識率の向上が困難になるという問題がある。
この問題の解決方法として指向特性のあるマイクロフォンが使用されるが、必ずしも必要な指向性が得られず、特に、話者に対して感度がピークとなり、車室内の騒音に対して感度がディップとなる条件のマイクロフォンを得ることができない。
【０００４】
さらに、複数のマイクロフォンより入力された信号をデジタル的に信号処理することにより、ノイズの除去する方法もあるが、高性能なＣＰＵ（中央演算装置）を必要とするため、コスト的に実現段階で問題が発生する。
したがって、本発明は、上記問題点に鑑み、騒音到来方向に感度がディップとなり、話者方向に感度がピークとなるように指向特性を制御してＳ／Ｎを改善しつつ低廉なコストを実現できるマイクロフォン指向特性の制御方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記問題点を解決するために、本発明では、騒音下で話者の音声を抽出するマイクロフォンの指向特性を制御する装置において、直線的で等間隔に配置され、且つ平面音波を入力する複数のマイクロフォンを備え、さらに、前記複数のマイクロフォンのうち、中央に位置する第１マイクロフォンの両隣に配置された第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取り、該差分信号を出力する差分手段と、前記第１マイクロフォンの出力信号と前記差分信号とを加算する加算手段とを有するマイクロフォン回路を備え、前記各出力信号の利得を調整することにより、前記マイクロフォンの指向特性を制御するようにした。
また、本発明では、騒音下で話者の音声を抽出するマイクロフォンの指向特性を制御する装置において、直線的に等間隔で配置され、前記音声による平面音波を入力する複数のマイクロフォンを備え、さらに、前記複数のマイクロフォンのうち、中央に位置する第１マイクロフォンの両隣に配置された第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取り、差分信号を出力する差分手段と、前記差分信号を積分し、積分信号を出力する積分手段と、前記第１マイクロフォンの出力信号と前記積分信号とを加算する加算手段とを有するマイクロフォン回路を備えることとし、前記差分手段と前記加算手段との利得を調整することにより、前記マイクロフォンの指向特性を制御するようにした。
そして、前記マイクロフォン回路は、前記第１のマイクロフォンの左右に配置された第２及び第３マイクロフォンの出力信号の差を取ることにより、前記第２及び第３マイクロフォン間の中央の対称軸で８の字型で正負極を有する８の字型指向特性を形成する差動増幅器と、前記差動増幅器により得られた結果を積分して前記差動増幅器により得られる低周波数での指向特性の低下を回復する積分器と、前記積分器の出力信号と前記第１マイクロフォンの出力信号を加算し、前記差動増幅器で得られる前記８の字型指向特性の一方の極を消去して他方の極を強調して指向特性を鋭くする加算器とを備えることとした。
前記差動増幅器と前記積分器との間に低域通過フィルタを設け、前記差動増幅器により得られた指向特性の高周波数の補償を行とした。或いは、前記積分器に含まれるオペアンプに係る帰還抵抗の中間点と接地との間を交流的に短絡するようにし、前記低域通過フィルタに含まれるオペアンプの容量帰還部が、容量分割回路であることとした。
また、前記複数のマイクロフォンは、前記第１マイクロフォン、該第１マイクロフォンを挟む左右の第２及び第３マイクロフォン、該第２及び第３マイクロフォンの外側に配置された左右の第４及び第５マイクロフォンからなり、前記音声の平面音波が各々のマイクロフォンに入力され、前記マイクロフォン回路は、前記各マイクロフォンの出力信号を処理して、８の字型で且つ対称軸で正負極を有する第１の８の字型指向特性を形成し、該第１の８の字型指向特性の一方の極を消去して他方の極を強調し、さらに、消去、強調した指向特性に第２の８の字型指向特性を掛けた新たな指向特性を形成するようにした。
そして、前記マイクロフォン回路は、前記第１乃至第５マイクロフォンについて、前記第２マイクロフォンと前記第１マイクロフォンとの平面音波を共通にし、且つ前記第３マイクロフォンと前記第５マイクロフォンの平面音波を共通にし、３つの中央及び左右のマイクロフォンの出力信号として処理し、前記新たな指向特性を近似的に求めることとし、或いは、前記マイクロフォン回路は、前記第３マイクロフォンと前記第１マイクロフォンとの平面音波を共通にし、且つ前記第２マイクロフォンと前記第４マイクロフォンの平面音波を共通にし、３つの中央及び左右のマイクロフォンの出力信号として処理し、前記新たな指向特性を近似的に求めることとした。
また、前記マイクロフォン回路は、前記第５マイクロフォンと前記第３マイクロフォンとの平面音波を共通にし、且つ前記第４マイクロフォンと前記第２マイクロフォンの平面音波を共通にし、３つの中央及び左右のマイクロフォンの出力信号として処理し、前記新たな指向特性を近似的に求めることとし、前記マイクロフォン回路は、前記中央マイクロフォンと前記左及び右マイクロフォンからなる前記３つのマイクロフォンの出力信号について、前記中央マイクロフォンの出力信号に利得２を掛け、前記左及び右マイクロフォンの各々の出力信号に利得−１を掛けて、第１の加算を行い、さらに、第１の積分処理を行い、前記左マイクロフォンの出力信号に利得１を掛け、前記右マイクロフォンの出力信号に利得−１を掛けて、前記第１の積分処理結果に第２の加算を行い、さらに、第２の積分を行うようにした。
前記各マイクロフォンの相互の間隔を狭めることにより、高周波数の指向特性を高めることとし、または、自動車の車室内における前記複数のマイクロフォンの取付位置によって、マイクロフォンの指向特性におけるディップ方向が特定されるようにし、前記マイクロフォン回路は、前記第１乃至第３マイクロフォンの各利得を変えることにより、マイクロフォンの指向特性におけるディップの方向を可変にすることとした。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係るマイクロフォン指向特性の制御方法及び装置は、前述のように、自動車に使用される音声認識装置に適用され、例えば、周波数範囲３００Ｈｚから５ｋＨｚまでの音放射に関して、複数の、例えば、２〜３個のマイクロフォンを等間隔に直線配置にして、話者方向に対しては感度をピークにし自動車の床方向に対しては感度をディップにする指向特性を有することにより、１個のマイクロフォンの使用と比較して、以下のように、Ｓ／Ｎの改善を行う。
【０００７】
マイクロフォン２ペアの指向特性
図１は本発明に係る２個のマイクロフォンの直線配置の指向特性例を説明する図である。本図に示す如く、距離ｄだけ離れた２つのマイクロフォンＭＩＣ１及びＭＩＣ２が直線上に配置され、角度θ方向から平面波が到来しているとする。２つのマイクロフォンＭＩＣ１及びＭＩＣ２の間の中心位置Ｏを基準点（注目点）、各マイクロフォンＭＩＣ１及びＭＩＣ２の音圧は、次式（１）のように、示される。Ｒは距離、またｋ＝（ω／ｃ）は波長定数である（ｃは音速）。
【０００８】
【数１】

【０００９】
２つのマイクロフォンの出力の和
マイクロフォンＭＩＣ１とＭＩＣ２の各出力の和を、次式（２）のように、全体の出力とする場合を考える。ここで、マイクロフォンＭＩＣ１とＭＩＣ２の感度の大きさは特に指定しないで両者は等しいとする。
【００１０】
【数２】

【００１１】
したがって、指向性関数Ｄは次式（３）のようになる。
【００１２】
【数３】

【００１３】
図２は式（３）の指向特性の概略を説明する図である。本図に示すｋｄは、ｄ＝４ｃｍ、ｃ＝３４０ｍ／ｓとすると、次式（４）で示される。
【００１４】
【数４】

【００１５】
上式（４）から、それぞれの周波数のｋｄの値は下記表１のようになる。
【００１６】
【表１】

【００１７】
したがって、上記表１からも分かるように、単純加算の場合、周波数ｆ＝１５００Ｈｚ以上では指向特性が強い楕円になるが、周波数ｆ＝１５００Ｈｚ未満の低周波では一方向の指向特性が弱い円になり一方向の指向特性を強くすることが困難である。
２つのマイクロフォンの出力の差
マイクロフォンＭＣ２の出力からマイクロフォンＭＣ１の出力の差を全体の出力とする場合を考える。この場合の指向性関数Ｄは、次式（５）で与えられる。
【００１８】
【数５】

【００１９】
図３は式（５）の指向特性の概略を説明する図である。本図に示すように、上記式（５）は８の字型で対称軸に対して正負極の指向特性を有するが、指向特性の大きさは低い周波数域では、周波数に比例して小さくなる。それゆえ、２つのマイクロフォンの出力差を取る方式では、その後に積分器が不可欠となる。１／ｊωτの利得の積分器を用いると、指向性関数Ｄは次式（６）のようになる。
【００２０】
【数６】

【００２１】
ビームフォーマ
以上の式（３）、式（６）の２つの指向性関数Ｄが、以下にビームフォーマを考えるときの基本要素といえる。
一方に位相器を付加した２つのマイクロフォンの出力の和
図４は、指向性形成のブロックダイヤグラム１であって、２つのマイクロフォンの出力の和を取る方式に位相器を付加した構成例を示す図である。本図に示す如く、マイクロフォン回路１０ではマイクロフォンＭＩＣ２の出力にＡｌｌＰａｓｓ（全域通過）の遅延回路を付加してその出力とマイクロフォンＭＩＣ１の出力との和が取られる。この場合の指向特性関数Ｄは次式（７）、（８）で示される。
【００２２】
【数７】

【００２３】
図５、図６は、図４の指向特性について、ｄ＝４ｃｍ、τ＝１３５μｓｅｃとして、式（８）の各周波数の数値計算結果例を説明する図である。図５、図６に示す如く、本方式では、低周波数で、特定方向への指向性は実現不可能である。構成が簡単であるが、
｜Ｄ｜＝２ｃｏｓ｛（ｋｄ／２）ｃｏｓθ＋ｔａｎ^−１ωτ｝の形であるから低い周波数でのある特定方向への指向特性を大きく取れない欠点がある。この方式により、広い周波数範囲で、図５（ｄ）のような指向特性を実現するには、ＡｌｌＰａｓｓによる位相推移でなく、各周波数に対して、それぞれ適切な位相推移を与える必要がある。
【００２４】
一方に位相器を付加した２つのマイクロフォンの出力の差に積分器の付加
図７は、指向性形成のブロックダイヤグラム２であって、図５、６に式（６）を基本として位相推移を付加した構成例を示す図である。本図のマイクロフォン回路１０より得られる指向特性Ｄは、次式（９）、（１０）で示される。
【００２５】
【数８】

【００２６】
ここで、図４、式（７）、（８）に用いられているτをτ＝ＣＲとして示す。
図８、図９は、図７の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、ＣＲ＝６３μｓｅｃ、τ＝８７μｓｅｃとして、式（１０）の各周波数での数値計算結果例を説明する図である。ＣＲの値は、θ＝４５°で、Ｄがディップを有するように設定している。
【００２７】
この（１／ωτ）ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ−ｔａｎ^−１ωＣＲ〕の形は、ｃｏｓ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ＋ｔａｎ^−１ωτ〕よりは、低周波数で良好な指向性が得やすい。
２つのマイクロフォンの出力の差の特性に正値を加算
図１０は指向性形成のブロックダイヤグラム３を示す図である。式（６）は、図３に示すように、原点を中心とする対称軸に対して横８の字の指向性を有するので、図４、図７の位相器を使わずに、本図に示すマイクロフォン回路１０では、８の字のマイナス（負）側を正値で打ち消し、プラス（正）側を強調したビームフォーマが考えられる。
【００２８】
図１０において、Ｄは次式（１１）となる。
【００２９】
【数９】

【００３０】
図１１、図１２は、図１０の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃとして、式（１１）の各周波数での数値計算結果例を説明する図である。なお、τの値は、θ＝４５°でＤがディップを有するように設定している。本図により、図１０の本方式は、本方式を含めて、図４、図７との３通りの方式中で、低い周波数からかなり高い周波数まで最も良好な指向性が実現可能であることがわかる。
【００３１】
３マイクロフォン直線配置積分方式
図１０で示した３マイクロフォン積分方式が低い周波数からかなり高い周波数まで、広範囲に良好な指向特性が得られるから、これについて以下に詳細に検討を行う。
図１３は３マイクロフォン直線配置積分方式を採用する基本構成を説明する図である。本図に示すように、３つのマイクロフォンが等間隔に直線配置され、マイクロフォン回路１０では、それぞれの出力は積分器、加算器を用いて、合成して所望の出力が得られる。後述するように、利得を適当に調整することにより感度のディップ点は任意に設定できる。なお、ＬＰＦ（低域通過フィルタ）は、後述するように、高い周波数での指向特性の劣化を補償するものである。説明の都合上、ＬＰＦを用いない場合について、再度、詳しく述べる。図１３でＬＰＦを用いない場合の指向性関数Ｄは、次式（１２）のようになる。
【００３２】
【数１０】

【００３３】
ｋｄ／２≪１、すなわち、低い周波数では、指向性関数Ｄは次式（１３）のようになる。
【００３４】
【数１１】

【００３５】
図１４は式（１３）の概略を説明する図である。τ＝ｃ／ｄとすると、θに対する式（１３）の指向性関数｜Ｄ｜の分布は本図に示すようになる。
図１５はωに対する２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτの変化を説明する図である。ωに対する２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτの変化を各θにおいて調べると、本図に示すようになる。ただし、ここではτの値はθ＝０°で｜Ｄ｜が零となるように設定している。
【００３６】
図１５の１）ｄ＝４ｃｍにおいて、θ＝０°で２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτは１で式（１２）は０となる。そして、周波数が１ｋＨｚ弱までは、各θに対する値はｆ＝０のときとほぼ同じであるから、その指向特性は図１４のようになる。
図１６は指向特性の劣化の概要を説明する図である。しかし、さらに、上記周波数１ｋＨｚよりも高くなると、｜Ｄ｜の分布は、概略、図１６（ａ）のように劣化する。
【００３７】
また、図１５の３）ｄ＝８ｃｍにおいて、周波数４ｋＨｚ以上になると、図１６（ｂ）のように、さらに指向特性が劣化する。したがって、ｄを大きくするほど、高い周波数の指向特性は劣化が生じ易くなる。
次にＬＰＦを用いて、高い周波数での指向特性を補償することを考える。
図１４の目標とする指向特性を高い周波数で実現するには、各θでの２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτの値をθ＝０のときの値にそろえることが必要である。そこで、ここでは、図１３に示す如くＬＰＦを設けて、高い周波数での２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτの値の大きさの低下を、ＬＰＦの共振特性によるピーキングで補償する考えを取る。
【００３８】
上記のＬＰＦの伝達関数は次式（１４）のようになる。
【００３９】
【数１２】

【００４０】
したがって、周波数が低い方からｆ_０までの大きさの拡大を利用して、指向特性の補償が行われる。しかしながら、図１４の３）ｄ＝８ｃｍの場合は、周波数約４ｋＨｚ以上では、本方法をもってしても、補償は不可能である。
図１７は式（１４）の振幅特性を説明する図である。ＬＰＦを用いた場合は、本図に示すように、指向性関数Ｄは次式（１５）のようになる。
【００４１】
【数１３】

【００４２】
もともとの低周波数において、（ｃ：音速）次の関係の式（１６）のように、
【００４３】
【数１４】

【００４４】
とすればよい。
指向特性の数値計算例
ＬＰＦを用いない場合のｄ＝６ｃｍについて、指向特性を計算した結果は、前述の図１１、図１２に掲げている。ただし、θ＝４５°でディップをもたせるためにτ＝１２０μｓｅｃとしている。
【００４５】
図１８、図１９は、ｄ＝６ｃｍにおいて、ＬＰＦを用い周波数での特性改善を図った計算結果例を説明する図である。本図（ａ）から（ｇ）の結果から、ＬＰＦによる特性改善がよく分かる。ここに、ＬＰＦにおいて、ｆ_０＝６８００Ｈｚ、Ｑ＝２０、ｄ＝６ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃである。
次に、ｄ＝４ｃｍとして、θ＝０°でディップを与える場合を取り上げる。式（１６）からτ≒１２０μｓｅｃと求まる。この場合のＬＰＦを用いて高周波補償を施した。
【００４６】
図２０、図２１は図１３の指向性関数Ｄの数値計算結果例を説明する図である。本図に示すように、ｄ＝６ｃｍからｄ＝４ｃｍに変更したことによって、かなり高い周波数まで良好な指向特性が得られている。
図２２は、ｄ＝６ｃｍ、θ＝４５°ディップ又はｄ＝４ｃｍ、θ＝０°ディップの場合に図１３の基本的構成を具体化したマイクロフォン回路１０の構成例を示す図である。ただし、図１３の基本構成の各経路に−１を乗じた形となっている。本図に示すマイクロフォン回路１０は、マイクロフォンＭＣ２とＭＣ３とからの出力信号を入力してこれらの差を形成する差動増幅器１１と、差動増幅器１１の出力に接続されて高周波補償を行うＬＰＦ１２と、ＬＰＦ１２に接続されて積分を行う積分器１３と、積分１３の出力とマイクロフォンＭＣ１の出力とを加算する加算器１４とからなる。図２２に示される差動増幅器１１、ＬＰＦ１２、積分器１３、加算器１４を形成する、トランジスタ、オペアンプの種類、抵抗、コンデンサ等の値は一例である。ここで、ｄ＝６ｃｍ、θ＝４５°でディップをもたせるものとして、τ＝１２０μｓｅｃである（ｄ＝４ｃｍ、θ＝０°でディップの場合も本回路構成となる）。
【００４７】
次に、積分器１３として、従来の積分器をそのまま使用すると、その構成には、２つの問題があった。積分器１３を構成するオペアンプ（ＯＰ）のオフセットを取るための帰還抵抗は、理想に近い積分特性実現のために高抵抗値を与えている。しかし、
▲１▼ それでも低周波（３００Ｈｚ付近以下）では、理想の積分特性を実際に得ることが相当に難しい。他方、帰還抵抗大である。
【００４８】
▲２▼ そのため、前段の僅かなオフセット誤差（差動増幅器１１を構成するＯＰ１に積分特性をもたせた場合は、直流差動誤差）によっても、積分器１３の出力に大きな直流誤差を生ずる。
以上の問題点の解決方法として、図２２の回路図に示すように、積分器１３の帰還抵抗の中間点と接地間を交流点に短絡するにしてある。ただし、Ｒ_Ｃ２、Ｒ_Ｃ３に比べて、短絡用容量（インピーダンス）は十分に小さくする必要がある。
【００４９】
次に、図２２のマイクロフォン回路の各回路の動作を説明する。
図２３は図２２の差動増幅回路１１を説明する図である。本図の点Ｐにおいて、次式（１７）、（１８）が成立する。
【００５０】
【数１５】

【００５１】
上式において、次式（１９）：
【００５２】
【数１６】

【００５３】
の条件が満足されるとすれば、次式（２０）が成立する。
【００５４】
【数１７】

【００５５】
ここで、Ｒ_Ａ１＝Ｒ_Ａ２Ｒ_Ａ３＝Ｒ_Ａ４とすると、次式（２１）が成立する。
【００５６】
【数１８】

【００５７】
図２４は図２２の高ＱのＬＰＦ１２を説明する図である。本図に、安定な動作が期待できる多重帰還形ＬＰＦが示される。ここで、Ｃ_Ｂ４とＣ_Ｂ５の容量分割回路を用いることによって、従来、困難であったＱの高Ｑ化が実現できる。本構成の場合、有限ＧＢ積の影響は無視できない。
図２４において、次式（２２）が成立する。
【００５８】
【数１９】

【００５９】
また、図２４の点Ｐにおいて、次式（２３）が成立する。
【００６０】
【数２０】

【００６１】
それゆえ、本ＬＰＦ１２の伝達関数は次式（２４）の通りになる。
【００６２】
【数２１】

【００６３】
そして、周波数域を分母３次の項が無視できる範囲とするならば、次式（２５）のように簡略化される。
【００６４】
【数２２】

【００６５】
ただし、式（２６）の関係がある。
【００６６】
【数２３】

【００６７】
図２５は図２２の低周波数域まで動作可能な積分回路１３を説明する図である。本図の積分回路１３において、本来、Ｃ’は電界コンデンサの大きな容量を用い、交流的には零インピーダンスを目標としている。しかしながら、ここで、この容量Ｃ’の影響を、以下に、調査する。
有限ＧＢ積を無視して、点Ｐの電流の連続性を取ると、次式（２７）、（２８）が成立する。
【００６８】
【数２４】

【００６９】
したがって、次式（２９）：
【００７０】
【数２５】

【００７１】
の理想の積分特性を得るための十分条件は、次式（３０）：
【００７２】
【数２６】

【００７３】
となる。
図２６は図２２の加算回路１４を説明する図である。本図のＰ点において、次式（３１）、（３２）が成立する。
【００７４】
【数２７】

【００７５】
したがって、次式（３３）、（３４）が成立する。
【００７６】
【数２８】

【００７７】
以上の各回路を結合した図２２において、式（３５）、（３６）が成立する。
【００７８】
【数２９】

【００７９】
ただし、ω_０とＱは式（２６）に表示している。
このように、複数のマイクロフォンとアナログ回路を用いることで、低コストで所望のマイクロフォンの指向特性を得ることが可能になる。
ビームフォーマの尖鋭化
基本的考え方
図２７は自由空間内の半分に指向特性をもつマルチマイクロフォンのシステムとして３マイクロフォン直線配置積分方式の例を示す図である。本図に示すマイクロフォン回路１０では、自由空間内の半分に指向特性を有するマルチマイクロフォンのシステム、例えば、図１３（図２７に再掲）の指向特性にｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ）、つまり横８の字を掛けることにより、さらにビームを鋭くすることを考えた。なお、低い周波数ではｓｉｎ（ｋｄｃｏｓθ）の値が小さくなるから、指向特性が小さくなる。したがって、その後には積分器を用いて増幅させることが必要となる。
【００８０】
この場合、指向性関数Ｄは次式（３７）となる。
【００８１】
【数３０】

【００８２】
図２８、図２９は式（３７）の指向特性を示す図である。本図に示すように、式（３７）の指向特性が示される。
式（３７）をさらに展開すると次式（３８）となる。
【００８３】
【数３１】

【００８４】
実数部の値が零で、この式の値が虚数部の値となるマイクロフォン配置を考え、この結果に基づく次式（３９）を示す。
【００８５】
【数３２】

【００８６】
図３０は式（３９）の指向特性を実現するマイクロフォンの配置を示す図である。本図に示すように、式（３９）を完全に満足するように５つのマイクロフォンの直列配置が行われる。
尖鋭化したビームの３マイクロフォンによる実現
しかし、図３０のようにマイクロフォンを５つも使用することは望ましくない。そこで、
〔１〕マイクロフォンＭＩＣ２とＭＩＣ３を右にｄだけ移動して３マイクロフォンを実現する；
〔２〕マイクロフォンＭＩＣ２とＭＩＣ３を左にｄだけ移動して３マイクロフォンを実現する；
〔３〕マイクロフォンＭＩＣ５を右にｄだけ、ＭＩＣ４を左にｄだけ移動して３マイクロフォンを実現する；ことを考えることにした。
【００８７】
図３１は〔１〕のマイクロフォン配置で尖鋭化した指向特性を実現する図である。本図に示すマイクロフォン回路１０により得られる指向特性は次式（４０）のようになる。
【００８８】
【数３３】

【００８９】
〔２〕の場合には、指向特性は次式（４１）のようになる。
【００９０】
【数３４】

【００９１】
指向特性の絶対値は、〔１〕のときと同じである。
図３２は〔３〕のマイクロフォン配置で尖鋭化した指向特性を実現する図である。本図に示すマイクロフォン回路１０により得られる指向特性は次式（４２）のようになる。
【００９２】
【数３５】

【００９３】
さらに式（４２）を変形すると、次式（４３）のようになる。
【００９４】
【数３６】

【００９５】
となり、式（３７）にかなり近い形となっていることが分かる。
以上、３通りの３マイクロフォン化を考えたが、その中で〔３〕の場合について、さらに検討していく。なお、実際には、図３２の出力には、さらなる積分回路を必要となる。
図３３、図３４は〔３〕の場合の指向特性を示す図である。ただし、ｄ＝２．５ｃｍ、τ＝３０μｓｅｃとする。本図に示すように、ｆ＝２０００Ｈｚ以上から、指向特性の鋭さが減少し始める。そこで、式（４３）に注目し、ｃｏｓ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）、１／ωτｓｉｎ（ｋｄ／２）ｃｏｓθの周波数に対する変化を調べる。
【００９６】
図３５は式（４３）のｃｏｓ（ｋｄ／２）ｃｏｓθ、１／ωτｓｉｎ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）の数値計算結果を示す図である。図３５（ｂ）から、式（４３）の１／ωτｓｉｎ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）によって、周波数が低いときは、指向特性が鋭くなることが分かる。また、図３５（ｂ）の各大きさの周波数に対する減少は、ｆ＝４０００Ｈｚくらいまでは少ない。しかし、それ以上の周波数では、指向特性鈍化の原因となる。
【００９７】
ところが、式（４３）の〔〕内のｃｏｓ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）は図３５（ａ）に示すごとく、かなり低い周波数から減少し始めている。また、高い周波数で、左側に指向特性が表れ始めているのも、ｃｏｓ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）が減少することにある。
図３６、図３７は図３２で、ｄ＝２．５ｃｍから２ｃｍに変更した指向特性を示す図である。本図に示すように、ｆ＝５０００Ｈｚまで良好な指向特性の鋭さが維持され、かなり高い周波数まで尖鋭化が実現される。ただし、τ＝３０μｓｅｃである。
【００９８】
図３８は図３２の出力に１／ｊωτ’を付加してビームを鋭くした構成例を示す図である。式（４３）を参照すると、図３８に示すマイクロフォン回路１０により得られる指向性関数Ｄは次式（４４）のごとく表される。
【００９９】
【数３７】

【０１００】
それゆえに、次の関係の式（４５）が成立する。
【０１０１】
【数３８】

【０１０２】
図３９は図３２、図３８を基にした具体的なマイクロフォン回路１０の構成例を示す図である。本図に示す回路素子値は、図２２のおおよその参考として、設定されている。本図において、回路素子間には、次の条件（４６）を必要とする。
【０１０３】
【数３９】

【０１０４】
ここで、オペアンプ（ｏｐ）の理想形として、図３９の回路において、次式（４７）が成立する。
【０１０５】
【数４０】

【０１０６】
そして、式（４６）の条件が満足すると、式（４７）は次式（４８）、（４９）のようになる。
【０１０７】
【数４１】

【０１０８】
図４０、４１、４２は図３９の回路に各入力に対する伝送｜Ｖ_０／Ｖ_ｉＭ｜、｜Ｖ_０／Ｖ_ｉＬ｜、｜Ｖ_０／Ｖ_ｉＲ｜の大きさのシミュレーション結果をそれぞれ示す図である。なお、オペアンプはＴＬ−０６１である。ｆ＝３００Ｈｚ以上では、ほぼ目標の特性が得られている。実際には、利得水準を２０から３０ｄＢダウンとなるように回路素子値を設定してもよい。
【０１０９】
なお、図４０、４１、４２の３００Ｈｚ以下の低域で積分特性の劣化は、積分回路の電界コンデンサのインピーダンスによる。しかし、特に問題とはならない。
５マイクロフォンによるビームの尖鋭化
前述した自由空間の半分に感度を有する指向特性に、１−ｃｏｓ（ｋｄｃｏｓθ）を掛け算すると、以下に説明するように、その指向特性はより尖鋭化する。しかし、この場合は、５マイクロフォンの入力となる。
【０１１０】
式（１２）に１−ｃｏｓ（ｋｄｃｏｓθ）を掛け算した指向性関数Ｄは次式（５０）のようになる。
【０１１１】
【数４２】

【０１１２】
式（５０）を変形すると、次式（５１）のようになる。
【０１１３】
【数４３】

【０１１４】
図４３は、式（５１）の指向特性を満足する５つのマイクロフォンの直線配置を示す図である。本図に示すように、５つのマイクロフォンが等間隔で直線に配置され、マイクロフォン回路１０の構成が形成される。
図４４、図４５は図４３で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。本図に示すように、指向特性は３マイクロフォンよりも尖鋭化される。
【０１１５】
さらに、前述の式（１０）に１−ｃｏｓ（ｋｄｃｏｓθ）を掛け算した指向性関数Ｄは次式（５２）のようになる。
【０１１６】
【数４４】

【０１１７】
式（５２）を変形すると、次式（５３）のようになる。
【０１１８】
【数４５】

【０１１９】
図４６は式（５３）の指向特性を満足する５つのマイクロフォンの直線配置を示す図である。本図に示すように、５つのマイクロフォンが等間隔で直線に配置され、マイクロフォン回路１０の構成が形成される。
図４７、図４８は図４６で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝５０μｓｅｃ、ＣＲ＝３０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。本図に示すように、指向特性は３マイクロフォンよりも尖鋭化される。
【０１２０】
図４９は、本発明に係る直線配置のマルチマイクロフォンを自動車に配置する例を示す図である。本図に示すように、自動車において話者の前方に位置し、垂直に対して、例えば、４５°の角度をなすＡピラー（前方のピラー）に直線配置の複数の（マルチ）マイクロフォンを取り付ける場合には、複数のマイクロフォンの高さを話者の口元の高さに合わせ、マルチマイクロフォンの指向特性のピークを方向を１３５°とし、マルチマイクロフォンの指向特性のディップ方向を自動車の床方向の４５°方向とする。自動車ごとに、マイクロフォンの指向特性を最適化することで、音声認識装置に入力される音声のＳ／Ｎを確保できる。
【０１２１】
図５０は、図１３の構成を例として、マイクロフォンに対する利得の制御により指向特性のディップを制御する例を示す図である。本図（ａ）に示すように、マイクロフォン１、２、３が直線配置されて、それぞれに利得Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の初期値が設定され、本図（ｂ）の左側に示す下方向にディップが向いているとする。この場合、利得Ｇ２を初期値よりも小さくすると、本図（ｂ）の右側示すように、ディップの向きが上方向に移動する。このようにして、話者の口元の位置に合わせて、マイクロフォンの指向特性のディップ位置を変えることで、話者が変わっても、音声認識装置に入力される音声のＳ／Ｎレベルを保持でき、安定した音声認識処理が行える。
【０１２２】
図５１は、複数の（マルチ）マイクロフォンの配置の別の例を示す図である。本図に示すように、自動車の運転に使用するルームミラーの裏側に複数のマイクロフォンを取り付けてもよい。このようにして、複数のマイクロフォンの取付けスペースの制約を拡大できる。また、車内側から見た場合のマイクロフォンの取付けによる内装へのデザイン的影響を軽減できる。
【０１２３】
なお、上記の複数のマイクロフォンの各々は無指向特性であってもよい。
【０１２４】
【発明の効果】
以上の説明により本発明によれば、音声認識に使用される周波数の範囲でマイクロフォンの指向特性を尖鋭化することが可能になり、さらに、話者に対して感度がピークになり、騒音に対して感度がディップとなるように指向特性を制御することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る２個のマイクロフォンの直線配置の指向特性例を説明する図である。
【図２】式（３）の指向特性の概略を説明する図である。
【図３】式（５）の指向特性の概略を説明する図である。
【図４】指向性形成のブロックダイヤグラム１であって、２つのマイクロフォンの出力の和を取る方式に位相器を付加した構成例を示す図である。
【図５】図４の指向特性について、ｄ＝４ｃｍ、τ＝１３５μｓｅｃとして、式（８）の各周波数の数値計算結果例を説明する図である。
【図６】図４の指向特性について、ｄ＝４ｃｍ、τ＝１３５μｓｅｃとして、式（８）の各周波数の数値計算結果例を説明する図である。
【図７】指向性形成のブロックダイヤグラム２であって、図５、６に式（６）を基本として位相推移を付加した構成例を示す図である。
【図８】図７の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、ＣＲ＝６３μｓｅｃ、τ＝８７μｓｅｃとして、式（１０）の各周波数での数値計算結果例を説明する図である。
【図９】図７の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、ＣＲ＝６３μｓｅｃ、τ＝８７μｓｅｃとして、式（１０）の各周波数での数値計算結果例を説明する図である。
【図１０】指向性形成のブロックダイヤグラム３を示す図である。
【図１１】図１０の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃとして、式（１１）の各周波数での数値計算結果例を説明する図である。
【図１２】図１０の指向特性について、ｄ＝６ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃとして、式（１１）の各周波数での数値計算結果例を説明する図である。
【図１３】３マイクロフォン直線配置積分方式を採用する基本構成を説明する図である。
【図１４】式（１３）の概略を説明する図である。
【図１５】ωに対する２ｓｉｎ〔（ｋｄ／２）ｃｏｓθ〕／ωτの変化を説明する図である。
【図１６】指向特性の劣化の概要を説明する図である。
【図１７】式（１４）の振幅特性を説明する図である。
【図１８】ｄ＝６ｃｍにおいて、ＬＰＦを用い周波数での特性改善を図った計算結果例を説明する図である。
【図１９】ｄ＝６ｃｍにおいて、ＬＰＦを用い周波数での特性改善を図った計算結果例を説明する図である。
【図２０】図１３の指向性関数Ｄの数値計算結果例を説明する図である。
【図２１】図１３の指向性関数Ｄの数値計算結果例を説明する図である。
【図２２】ｄ＝６ｃｍ、θ＝４５°ディップ又はｄ＝４ｃｍ、θ＝０°ディップの場合に図１３の基本的構成を具体化したマイクロフォン回路１０の構成例を示す図である。
【図２３】図２２の差動増幅回路１１を説明する図である。
【図２４】図２２の高ＱのＬＰＦ１２を説明する図である。
【図２５】図２２の低周波数域まで動作可能な積分回路１３を説明する図である。
【図２６】図２２の加算回路１４を説明する図である。
【図２７】自由空間内の半分に指向特性をもつマルチマイクロフォンのシステムとして３マイクロフォン直線配置積分方式の例を示す図である。
【図２８】式（３７）の指向特性を示す図である。
【図２９】式（３７）の指向特性を示す図である。
【図３０】式（３９）の指向特性を実現するマイクロフォンの配置を示す図である。
【図３１】〔１〕のマイクロフォン配置で尖鋭化した指向特性を実現する図である。
【図３２】〔３〕のマイクロフォン配置で尖鋭化した指向特性を実現する図である。
【図３３】〔３〕の場合の指向特性を示す図である。
【図３４】〔３〕の場合の指向特性を示す図である。
【図３５】式（４３）のｃｏｓ（ｋｄ／２）ｃｏｓθ、１／ωτｓｉｎ（ｋｄ／２ｃｏｓθ）の数値計算結果を示す図である。
【図３６】図３２で、ｄ＝２．５ｃｍから２ｃｍに変更した指向特性を示す図である。
【図３７】図３２で、ｄ＝２．５ｃｍから２ｃｍに変更した指向特性を示す図である。
【図３８】図３２の出力に１／ｊωτ’を付加してビームを鋭くした構成例を示す図である。
【図３９】図３２、図３８を基にした具体的なマイクロフォン回路１０の構成例を示す図である。
【図４０】図３９の回路に各入力に対する伝送｜Ｖ_０／Ｖ_ｉＭ｜、｜Ｖ_０／Ｖ_ｉＬ｜、｜Ｖ_０／Ｖ_ｉＲ｜の大きさのシミュレーション結果をそれぞれ示す図である。
【図４１】図３９の回路に各入力に対する伝送｜Ｖ_０／Ｖ_ｉＭ｜、｜Ｖ_０／Ｖ_ｉＬ｜、｜Ｖ_０／Ｖ_ｉＲ｜の大きさのシミュレーション結果をそれぞれ示す図である。
【図４２】図３９の回路に各入力に対する伝送｜Ｖ_０／Ｖ_ｉＭ｜、｜Ｖ_０／Ｖ_ｉＬ｜、｜Ｖ_０／Ｖ_ｉＲ｜の大きさのシミュレーション結果をそれぞれ示す図である。
【図４３】式（５１）の指向特性を満足する５つのマイクロフォンの直線配置を示す図である。
【図４４】図４３で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。
【図４５】図４３で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝１２０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。
【図４６】式（５３）の指向特性を満足する５つのマイクロフォンの直線配置を示す図である。
【図４７】図４６で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝５０μｓｅｃ、ＣＲ＝３０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。
【図４８】図４６で、ｄ＝２ｃｍ、τ＝５０μｓｅｃ、ＣＲ＝３０μｓｅｃとした指向特性を示す図である。
【図４９】本発明に係る直線配置のマルチマイクロフォンを自動車に配置する例を示す図である。
【図５０】図１３の構成を例として、マイクロフォンに対する利得の制御により指向特性のディップを制御する例を示す図である。
【図５１】複数の（マルチ）マイクロフォンの配置の別の例を示す図である。
【符号の説明】
ＭＩＣ１、２、３、４、５…マイクロフォン
１０…マイクロフォン回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a microphone control method and apparatus provided in a speech recognition apparatus used in an automobile.
[0002]
[Prior art]
The voice recognition device recognizes words and sentences uttered by a speaker, and a microphone of a headset is used to input a voice to the voice recognition device in order to improve a recognition rate. In recent years, automobiles are also equipped with voice recognition devices, and various developments have been made for use in, for example, voice dialing. In this hands-free telephone system, if a driver puts on a headset, there is a problem in driving, so a microphone fixed in a certain place is used.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, a fixed microphone has a certain distance between the speaker and the fixed microphone, and therefore, noise in the passenger compartment generated when the vehicle travels enters and it is difficult to improve the recognition rate of the voice recognition device. There is a problem.
A microphone with directional characteristics is used as a solution to this problem, but the necessary directivity cannot always be obtained. In particular, the sensitivity is peak for the speaker and the sensitivity to the noise in the passenger compartment is dip. A microphone with the following conditions cannot be obtained.
[0004]
Furthermore, there is a method for removing noise by digitally processing signals input from a plurality of microphones. However, since a high-performance CPU (central processing unit) is required, it is cost effective at the stage of realization. A problem occurs.
Therefore, in view of the above problems, the present invention realizes low cost while improving the S / N by controlling the directivity so that the sensitivity is dip in the noise arrival direction and the sensitivity is the peak in the speaker direction. An object of the present invention is to provide a method and apparatus for controlling a microphone directivity characteristic.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems,In the present invention,In a device for controlling the directivity of a microphone that extracts a speaker's voice under noise, a plurality of microphones that are linearly arranged at equal intervals and that input plane sound wavesThe difference means for taking the difference between the output signals of the second and third microphones arranged on both sides of the first microphone located at the center among the plurality of microphones and outputting the difference signal; A microphone circuit having an adding means for adding the output signal of the first microphone and the difference signal is provided, and the directivity characteristic of the microphone is controlled by adjusting the gain of each output signal..
In the present invention, in the device for controlling the directivity characteristics of the microphone that extracts the voice of the speaker under noise, the apparatus includes a plurality of microphones that are linearly arranged at equal intervals and that input the plane sound wave by the voice. A difference means for taking the difference between the output signals of the second and third microphones arranged on both sides of the first microphone located at the center of the plurality of microphones, and outputting the difference signal; and integrating the difference signal. And a microphone circuit having an integration means for outputting an integration signal and an addition means for adding the output signal of the first microphone and the integration signal, and adjusting the gains of the difference means and the addition means. By controlling the directional characteristics of the microphone.
The microphone circuit takes a difference between the output signals of the second and third microphones arranged on the left and right sides of the first microphone, so that the center axis of symmetry between the second and third microphones is eight. A differential amplifier that forms a figure-shaped directional characteristic having a positive and negative shape and a result obtained by the differential amplifier is integrated to reduce the directional characteristic at a low frequency obtained by the differential amplifier. The integrator to be recovered, the output signal of the integrator and the output signal of the first microphone are added, and one pole of the 8-shaped directivity obtained by the differential amplifier is eliminated, and the other pole is And an adder that emphasizes and sharpens the directivity.
A low-pass filter is provided between the differential amplifier and the integrator, and high frequency compensation of the directivity obtained by the differential amplifier is performed. Alternatively, the intermediate point of the feedback resistor related to the operational amplifier included in the integrator is short-circuited between the ground and the ground, and the capacitive feedback section of the operational amplifier included in the low-pass filter is a capacitance dividing circuit. Decided.
The plurality of microphones includes the first microphone, the left and right second and third microphones sandwiching the first microphone, and the left and right fourth and fifth microphones arranged outside the second and third microphones. The sound plane sound wave is input to each microphone, and the microphone circuit processes the output signal of each microphone to form a first eight figure having an eight figure shape and having positive and negative electrodes on the symmetry axis. Forming a pattern directivity, erasing one pole of the first eight-shaped directional characteristic to emphasize the other pole, and further erasing and emphasizing the second eight-shaped directional characteristic A new directional characteristic multiplied by.
The microphone circuit has a common plane sound wave of the second microphone and the first microphone for the first to fifth microphones, and a common plane sound wave of the third microphone and the fifth microphone, It is processed as output signals of three central and left and right microphones, and the new directional characteristics are approximately obtained. Alternatively, the microphone circuit shares the plane sound waves of the third microphone and the first microphone. In addition, the plane sound waves of the second microphone and the fourth microphone are made common and processed as output signals of three central and left and right microphones, and the new directivity is approximately obtained.
Further, the microphone circuit shares the plane sound waves of the fifth microphone and the third microphone, and shares the plane sound waves of the fourth microphone and the second microphone, and outputs the three central and left and right microphones. And the new directional characteristic is approximately obtained, and the microphone circuit converts the output signals of the three microphones including the central microphone and the left and right microphones into the output signal of the central microphone. Multiply the gain by 2, multiply the output signals of the left and right microphones by a gain of −1, perform the first addition, and perform the first integration process. The left microphone output signal is multiplied by a gain of 1, the right microphone output signal is multiplied by a gain of −1, a second addition is performed on the first integration processing result, and a second integration is performed. To do.
By narrowing the distance between the microphones, the high frequency directivity is enhanced, or the dip direction in the directivity of the microphone is specified by the mounting positions of the plurality of microphones in the interior of the automobile. The microphone circuit can change the direction of the dip in the directivity characteristic of the microphone by changing each gain of the first to third microphones..
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As described above, the microphone directivity control method and apparatus according to the embodiment of the present invention are applied to a speech recognition apparatus used in an automobile. For example, a plurality of microphones having a frequency range of 300 Hz to 5 kHz are emitted. For example, by arranging two or three microphones in a straight line at equal intervals and having a directivity characteristic that peaks the sensitivity with respect to the speaker direction and dip the sensitivity with respect to the floor direction of the car. Compared with the use of a single microphone, the S / N is improved as follows.
[0007]
Directional characteristics of two microphone pairs
FIG. 1 is a diagram for explaining an example of directivity characteristics of a linear arrangement of two microphones according to the present invention. As shown in this figure, it is assumed that two microphones MIC1 and MIC2 separated by a distance d are arranged on a straight line, and a plane wave arrives from the angle θ direction. The center position O between the two microphones MIC1 and MIC2 is a reference point (attention point), and the sound pressures of the microphones MIC1 and MIC2 are expressed by the following equation (1). R is the distance, and k = (ω / c) is the wavelength constant (c is the speed of sound).
[0008]
[Expression 1]

[0009]
Sum of two microphone outputs
Consider the case where the sum of the outputs of the microphones MIC1 and MIC2 is the total output as in the following equation (2). Here, the magnitudes of sensitivity of the microphones MIC1 and MIC2 are not particularly specified, and both are assumed to be equal.
[0010]
[Expression 2]

[0011]
Therefore, the directivity function D is expressed by the following equation (3).
[0012]
[Equation 3]

[0013]
FIG. 2 is a diagram for explaining the outline of the directivity of equation (3). The kd shown in the figure is expressed by the following equation (4) where d = 4 cm and c = 340 m / s.
[0014]
[Expression 4]

[0015]
From the above equation (4), the value of kd of each frequency is as shown in Table 1 below.
[0016]
[Table 1]

[0017]
Therefore, as can be seen from Table 1 above, in the case of simple addition, an ellipse with strong directivity is obtained at a frequency f = 1500 Hz or higher, but a directional characteristic in one direction is a weak circle at a low frequency of less than f = 1500 Hz. It is difficult to enhance the directional characteristics in one direction.
Difference between two microphone outputs
Consider the case where the difference between the output of the microphone MC2 and the output of the microphone MC1 is the total output. The directivity function D in this case is given by the following equation (5).
[0018]
[Equation 5]

[0019]
FIG. 3 is a diagram for explaining the outline of the directivity of equation (5). As shown in the figure, the above formula (5) has a figure of 8 and has directivity characteristics of positive and negative with respect to the axis of symmetry. However, the size of the directivity becomes smaller in proportion to the frequency in a low frequency range. . Therefore, an integrator is indispensable in the method of taking the output difference between the two microphones. When an integrator having a gain of 1 / jωτ is used, the directivity function D is expressed by the following equation (6).
[0020]
[Formula 6]

[0021]
Beam former
The two directivity functions D in the above formulas (3) and (6) can be said to be basic elements when considering the beamformer below.
Sum of outputs from two microphones with phaser added on one side
FIG. 4 is a block diagram 1 for directivity formation, and is a diagram showing a configuration example in which a phase shifter is added to a method for summing the outputs of two microphones. As shown in the figure, the microphone circuit 10 adds an All Pass (all-pass) delay circuit to the output of the microphone MIC2, and takes the sum of the output and the output of the microphone MIC1. The directivity function D in this case is expressed by the following equations (7) and (8).
[0022]
[Expression 7]

[0023]
FIG. 5 and FIG. 6 are diagrams for explaining examples of numerical calculation results for each frequency of Expression (8), assuming that the directivity of FIG. 4 is d = 4 cm and τ = 135 μsec. As shown in FIGS. 5 and 6, in this method, directivity in a specific direction cannot be realized at a low frequency. The configuration is simple,
| D | = 2 cos {(kd / 2) cos θ + tan^-1ωτ} form, there is a drawback that the directivity characteristic in a specific direction at a low frequency cannot be made large. In order to realize the directivity as shown in FIG. 5D in a wide frequency range by this method, it is necessary to give an appropriate phase transition to each frequency instead of the phase transition by All Pass.
[0024]
Adding an integrator to the difference between the outputs of two microphones with a phaser added on one side
FIG. 7 is a block diagram 2 for directivity formation, and is a diagram showing a configuration example in which a phase transition is added to FIGS. 5 and 6 based on the equation (6). The directivity characteristic D obtained from the microphone circuit 10 in this figure is expressed by the following equations (9) and (10).
[0025]
[Equation 8]

[0026]
Here, τ used in FIG. 4 and equations (7) and (8) is shown as τ = CR.
FIGS. 8 and 9 are diagrams for explaining numerical calculation result examples at each frequency of Expression (10), assuming that the directivity of FIG. 7 is d = 6 cm, CR = 63 μsec, and τ = 87 μsec. The value of CR is set such that θ = 45 ° and D has a dip.
[0027]
This (1 / ωτ) sin [(kd / 2) cos θ-tan^-1The form of ωCR] is cos [(kd / 2) cosθ + tan^-1It is easier to obtain good directivity at a lower frequency than [ωτ].
Add a positive value to the difference between the outputs of two microphones
FIG. 10 is a diagram showing a block diagram 3 for directivity formation. As shown in FIG. 3, Equation (6) has a horizontal eight-direction directivity with respect to the axis of symmetry centered on the origin. Therefore, without using the phase shifter of FIGS. In the illustrated microphone circuit 10, a beam former in which the minus (negative) side of the figure 8 is canceled with a positive value and the plus (positive) side is emphasized can be considered.
[0028]
In FIG. 10, D becomes the following equation (11).
[0029]
[Equation 9]

[0030]
11 and 12 are diagrams for explaining examples of numerical calculation results at each frequency of Expression (11), assuming that d = 6 cm and τ = 120 μsec for the directivity of FIG. The value of τ is set so that θ = 45 ° and D has a dip. According to this figure, the present system of FIG. 10 can realize the best directivity from a low frequency to a considerably high frequency in the three systems of FIG. 4 and FIG. 7 including this system. Understand.
[0031]
3 microphone linear arrangement integration method
Since the three-microphone integration method shown in FIG. 10 can obtain a good directivity characteristic in a wide range from a low frequency to a considerably high frequency, this will be discussed in detail below.
FIG. 13 is a diagram illustrating a basic configuration that employs a three-microphone linear arrangement integration method. As shown in this figure, three microphones are linearly arranged at equal intervals, and in the microphone circuit 10, the outputs are combined using an integrator and an adder to obtain a desired output. As will be described later, the sensitivity dip point can be arbitrarily set by appropriately adjusting the gain. The LPF (low-pass filter) compensates for directional characteristic degradation at a high frequency, as will be described later. For convenience of explanation, the case where LPF is not used will be described again in detail. In FIG. 13, the directivity function D when the LPF is not used is expressed by the following equation (12).
[0032]
[Expression 10]

[0033]
At kd / 2 << 1, that is, at a low frequency, the directivity function D is expressed by the following equation (13).
[0034]
## EQU11 ##

[0035]
FIG. 14 is a diagram for explaining the outline of equation (13). Assuming that τ = c / d, the distribution of the directivity function | D | of equation (13) with respect to θ is as shown in FIG.
FIG. 15 is a diagram for explaining the change of 2 sin [(kd / 2) cos θ] / ωτ with respect to ω. When the change of 2 sin [(kd / 2) cos θ] / ωτ with respect to ω is examined at each θ, it is as shown in this figure. However, here, the value of τ is set such that θ = 0 ° and | D | becomes zero.
[0036]
In FIG. 15, 1) When d = 4 cm, 2 sin [(kd / 2) cos θ] / ωτ is 1 and θ is 0, and θ is 0 °. Then, until the frequency is less than 1 kHz, the value for each θ is almost the same as when f = 0, and the directivity is as shown in FIG.
FIG. 16 is a diagram for explaining the outline of the degradation of directivity. However, when the frequency becomes higher than 1 kHz, the distribution of | D | is generally deteriorated as shown in FIG.
[0037]
In addition, when 3) d = 8 cm in FIG. 15 and the frequency is 4 kHz or more, the directivity is further deteriorated as shown in FIG. 16B. Therefore, as d is increased, the directivity characteristics at higher frequencies are more likely to deteriorate.
Next, it is considered to compensate the directivity characteristics at a high frequency by using the LPF.
In order to realize the target directivity in FIG. 14 at a high frequency, it is necessary to align the value of 2 sin [(kd / 2) cos θ] / ωτ at each θ with the value when θ = 0. Therefore, here, an LPF is provided as shown in FIG. 13, and the decrease in the magnitude of 2 sin [(kd / 2) cos θ] / ωτ at a high frequency is compensated by peaking due to the resonance characteristics of the LPF. take.
[0038]
The transfer function of the above LPF is expressed by the following equation (14).
[0039]
[Expression 12]

[0040]
Therefore, f₀The directivity is compensated by using the enlargement of the size up to. However, in the case of 3) d = 8 cm in FIG. 14, compensation is impossible even with this method at a frequency of about 4 kHz or more.
FIG. 17 is a diagram for explaining the amplitude characteristic of the equation (14). When the LPF is used, the directivity function D is expressed by the following equation (15) as shown in the figure.
[0041]
[Formula 13]

[0042]
At the original low frequency, (c: speed of sound)
[0043]
[Expression 14]

[0044]
And it is sufficient.
Numerical calculation example of directivity
The results of calculating the directivity characteristics for d = 6 cm when the LPF is not used are shown in FIGS. 11 and 12 described above. However, in order to have a dip at θ = 45 °, τ = 120 μsec.
[0045]
FIG. 18 and FIG. 19 are diagrams for explaining an example of calculation results in which characteristics are improved in frequency using LPF at d = 6 cm. From the results (a) to (g) of this figure, the characteristic improvement by LPF can be seen well. Here, in the LPF, f₀= 6800 Hz, Q = 20, d = 6 cm, τ = 120 μsec.
Next, a case where d = 4 cm and dip is given at θ = 0 ° will be taken up. From Equation (16), τ≈120 μsec is obtained. High frequency compensation was performed using the LPF in this case.
[0046]
20 and 21 are diagrams for explaining examples of numerical calculation results of the directivity function D in FIG. As shown in the figure, by changing from d = 6 cm to d = 4 cm, good directivity characteristics are obtained up to a considerably high frequency.
FIG. 22 is a diagram illustrating a configuration example of the microphone circuit 10 that embodies the basic configuration of FIG. 13 when d = 6 cm and θ = 45 ° dip or d = 4 cm and θ = 0 ° dip. However, each route of the basic configuration in FIG. 13 is multiplied by −1. The microphone circuit 10 shown in the figure includes a differential amplifier 11 that inputs an output signal from the microphones MC2 and MC3 to form a difference between them, and an LPF 12 that is connected to the output of the differential amplifier 11 and performs high frequency compensation. And an integrator 13 connected to the LPF 12 for integration, and an adder 14 for adding the output of the integration 13 and the output of the microphone MC1. The values of the types of transistors, operational amplifiers, resistors, capacitors, etc. that form the differential amplifier 11, the LPF 12, the integrator 13, and the adder 14 shown in FIG. 22 are examples. Here, assuming that d = 6 cm and θ = 45 ° have a dip, τ = 120 μsec (d = 4 cm, θ = 0 °, and this circuit configuration is also used).
[0047]
Next, when a conventional integrator is used as it is as the integrator 13, there are two problems in its configuration. The feedback resistor for taking an offset of the operational amplifier (OP) constituting the integrator 13 gives a high resistance value in order to realize an integration characteristic close to ideal. But,
(1) Nevertheless, at low frequencies (below 300 Hz or below), it is considerably difficult to actually obtain ideal integration characteristics. On the other hand, the feedback resistance is large.
[0048]
(2) Therefore, a large DC error is generated in the output of the integrator 13 even by a slight offset error in the previous stage (a DC differential error when OP1 constituting the differential amplifier 11 has an integral characteristic).
As a solution to the above problem, as shown in the circuit diagram of FIG. 22, the intermediate point of the feedback resistance of the integrator 13 and the ground are short-circuited to an AC point. However, R_C2, R_C3Compared to the above, it is necessary to make the short-circuit capacitance (impedance) sufficiently small.
[0049]
Next, the operation of each circuit of the microphone circuit of FIG. 22 will be described.
FIG. 23 is a diagram for explaining the differential amplifier circuit 11 of FIG. At point P in the figure, the following equations (17) and (18) are established.
[0050]
[Expression 15]

[0051]
In the above formula, the following formula (19):
[0052]
[Expression 16]

[0053]
If the above condition is satisfied, the following equation (20) is established.
[0054]
[Expression 17]

[0055]
Where R_A1= R_A2 R_A3= R_A4Then, the following equation (21) is established.
[0056]
[Expression 18]

[0057]
FIG. 24 is a diagram for explaining the high-Q LPF 12 of FIG. This figure shows a multiple feedback LPF that can be expected to operate stably. Where C_B4And C_B5By using this capacity dividing circuit, it is possible to realize a high Q which has been difficult in the past. In the case of this configuration, the influence of the finite GB product cannot be ignored.
In FIG. 24, the following equation (22) is established.
[0058]
[Equation 19]

[0059]
Further, at the point P in FIG. 24, the following expression (23) is established.
[0060]
[Expression 20]

[0061]
Therefore, the transfer function of the present LPF 12 is expressed by the following equation (24).
[0062]
[Expression 21]

[0063]
If the frequency range is in a range in which the third-order term of the denominator can be ignored, it is simplified as the following equation (25).
[0064]
[Expression 22]

[0065]
However, there is a relationship of Expression (26).
[0066]
[Expression 23]

[0067]
FIG. 25 is a diagram for explaining the integration circuit 13 which can operate up to the low frequency region of FIG. In the integrating circuit 13 in this figure, C ′ originally uses a large capacitance of an electric field capacitor, and aims at zero impedance in terms of AC. However, here, the influence of the capacitance C 'will be investigated below.
If the continuity of the current at the point P is taken ignoring the finite GB product, the following equations (27) and (28) are established.
[0068]
[Expression 24]

[0069]
Therefore, the following formula (29):
[0070]
[Expression 25]

[0071]
A sufficient condition for obtaining the ideal integral characteristic of the following equation (30):
[0072]
[Equation 26]

[0073]
It becomes.
FIG. 26 is a diagram illustrating the adder circuit 14 of FIG. The following expressions (31) and (32) are established at point P in the figure.
[0074]
[Expression 27]

[0075]
Therefore, the following expressions (33) and (34) are established.
[0076]
[Expression 28]

[0077]
In FIG. 22 in which the above circuits are combined, equations (35) and (36) are established.
[0078]
[Expression 29]

[0079]
Where ω₀And Q are shown in equation (26).
In this way, by using a plurality of microphones and an analog circuit, it becomes possible to obtain a desired microphone directivity characteristic at a low cost.
Sharpening beam former
Basic concept
FIG. 27 is a diagram showing an example of a three-microphone linear arrangement integration method as a multi-microphone system having a directivity characteristic in half of a free space. In the microphone circuit 10 shown in this figure, a multi-microphone system having directivity characteristics in half of the free space, for example, sin (kd cos θ), that is, horizontal 8 is applied to the directivity characteristics of FIG. 13 (re-displayed in FIG. 27). I thought about making the beam sharper. In addition, since the value of sin (kd cos θ) is small at a low frequency, the directivity is small. Therefore, after that, it is necessary to amplify using an integrator.
[0080]
In this case, the directivity function D is expressed by the following equation (37).
[0081]
[30]

[0082]
28 and 29 are diagrams showing the directivity characteristics of Expression (37). As shown in this figure, the directivity of equation (37) is shown.
When Formula (37) is further expanded, the following Formula (38) is obtained.
[0083]
[31]

[0084]
Considering a microphone arrangement in which the value of the real part is zero and the value of this expression is the value of the imaginary part, the following expression (39) based on this result is shown.
[0085]
[Expression 32]

[0086]
FIG. 30 is a diagram showing the arrangement of microphones that realize the directivity of equation (39). As shown in the figure, five microphones are arranged in series so as to completely satisfy the equation (39).
Realization of sharpened beam with 3 microphones
However, it is not desirable to use as many as five microphones as shown in FIG. there,
[1] Move microphones MIC2 and MIC3 to the right by d to realize three microphones;
[2] Move the microphones MIC2 and MIC3 to the left by d to realize 3 microphones;
[3] The microphone MIC5 is moved to the right by d and the MIC4 is moved to the left by d to realize three microphones.
[0087]
FIG. 31 is a diagram for realizing a sharp directional characteristic with the microphone arrangement of [1]. The directivity obtained by the microphone circuit 10 shown in the figure is expressed by the following equation (40).
[0088]
[Expression 33]

[0089]
In the case of [2], the directivity is given by the following equation (41).
[0090]
[Expression 34]

[0091]
The absolute value of the directivity is the same as in [1].
FIG. 32 is a diagram for realizing a sharp directivity with the microphone arrangement of [3]. The directivity obtained by the microphone circuit 10 shown in the figure is expressed by the following equation (42).
[0092]
[Expression 35]

[0093]
Further transforming equation (42) yields equation (43) below.
[0094]
[Expression 36]

[0095]
Thus, it can be seen that the shape is quite close to Equation (37).
As described above, three types of three microphones have been considered. Among them, the case of [3] will be further examined. In practice, a further integration circuit is required for the output of FIG.
33 and 34 are diagrams showing directivity characteristics in the case of [3]. However, d = 2.5 cm and τ = 30 μsec. As shown in this figure, the sharpness of directivity starts to decrease from f = 2000 Hz or higher. Therefore, paying attention to the equation (43), changes in cos (kd / 2cosθ) and 1 / ωτsin (kd / 2) cosθ with respect to the frequency are examined.
[0096]
FIG. 35 is a diagram showing the numerical calculation results of cos (kd / 2) cosθ and 1 / ωτsin (kd / 2cosθ) in the equation (43). From FIG. 35B, it can be seen from the 1 / ωτ sin (kd / 2 cos θ) of the equation (43) that the directivity is sharp when the frequency is low. Further, the decrease with respect to the frequency of each magnitude in FIG. 35B is small up to about f = 4000 Hz. However, at frequencies higher than that, the directional characteristic becomes dull.
[0097]
However, cos (kd / 2 cos θ) in [] in the equation (43) starts to decrease from a considerably low frequency as shown in FIG. The reason why the directivity characteristic starts to appear on the left side at a high frequency is that cos (kd / 2 cos θ) decreases.
FIG. 36 and FIG. 37 are diagrams showing the directivity characteristics changed from d = 2.5 cm to 2 cm in FIG. As shown in the figure, the sharpness of good directivity is maintained up to f = 5000 Hz, and sharpening is realized up to a considerably high frequency. However, τ = 30 μsec.
[0098]
FIG. 38 is a diagram showing a configuration example in which 1 / jωτ ′ is added to the output of FIG. 32 to sharpen the beam. Referring to the equation (43), the directivity function D obtained by the microphone circuit 10 shown in FIG. 38 is expressed as the following equation (44).
[0099]
[Expression 37]

[0100]
Therefore, the following relational expression (45) is established.
[0101]
[Formula 38]

[0102]
FIG. 39 is a diagram showing a specific configuration example of the microphone circuit 10 based on FIGS. 32 and 38. The circuit element values shown in this figure are set as approximate references in FIG. In the figure, the following condition (46) is required between circuit elements.
[0103]
[39]

[0104]
Here, as an ideal form of the operational amplifier (op), the following equation (47) is established in the circuit of FIG.
[0105]
[Formula 40]

[0106]
When the condition of the expression (46) is satisfied, the expression (47) becomes the following expressions (48) and (49).
[0107]
[Expression 41]

[0108]
40, 41, and 42 show the transmission of each input to the circuit of FIG.₀/ V_iM|, | V₀/ V_iL|, | V₀/ V_iRIt is a figure which shows the simulation result of the magnitude | size of |, respectively. The operational amplifier is TL-061. The target characteristic is almost obtained at f = 300 Hz or higher. Actually, the circuit element value may be set so that the gain level is reduced by 20 to 30 dB.
[0109]
40, 41, and 42, the deterioration of the integration characteristics at a low frequency of 300 Hz or less is due to the impedance of the electric field capacitor of the integration circuit. However, this is not a problem.
Sharpening the beam with 5 microphones
When the directivity having sensitivity in half of the free space described above is multiplied by 1-cos (kdcos θ), the directivity is sharpened as described below. However, in this case, the input is 5 microphones.
[0110]
A directivity function D obtained by multiplying the equation (12) by 1-cos (kd cos θ) is represented by the following equation (50).
[0111]
[Expression 42]

[0112]
When the equation (50) is transformed, the following equation (51) is obtained.
[0113]
[Equation 43]

[0114]
FIG. 43 is a diagram showing a linear arrangement of five microphones that satisfy the directivity of equation (51). As shown in the figure, five microphones are arranged in a straight line at equal intervals, and the configuration of the microphone circuit 10 is formed.
44 and 45 are diagrams showing the directivity characteristics in FIG. 43 where d = 2 cm and τ = 120 μsec. As shown in the figure, the directivity is sharpened more than 3 microphones.
[0115]
Further, a directivity function D obtained by multiplying the above-described equation (10) by 1-cos (kd cos θ) is represented by the following equation (52).
[0116]
(44)

[0117]
When the equation (52) is transformed, the following equation (53) is obtained.
[0118]
[Equation 45]

[0119]
FIG. 46 is a diagram showing a linear arrangement of five microphones that satisfy the directivity of equation (53). As shown in the figure, five microphones are arranged in a straight line at equal intervals, and the configuration of the microphone circuit 10 is formed.
47 and 48 are diagrams showing directivity characteristics in FIG. 46 where d = 2 cm, τ = 50 μsec, and CR = 30 μsec. As shown in the figure, the directivity is sharpened more than 3 microphones.
[0120]
FIG. 49 is a diagram showing an example in which the linear microphones according to the present invention are arranged in an automobile. As shown in this figure, when a plurality of (multi-) microphones arranged in a straight line are attached to an A pillar (front pillar) that is positioned in front of a speaker in an automobile and forms an angle of 45 ° with respect to the vertical, for example. The height of a plurality of microphones is adjusted to the height of the speaker's mouth, the peak of the multi-microphone directivity is set to 135 °, and the dip direction of the multi-microphone directivity is 45 ° to the vehicle floor. The direction. By optimizing the directivity characteristics of the microphone for each automobile, it is possible to ensure the S / N of the voice input to the voice recognition device.
[0121]
FIG. 50 is a diagram illustrating an example in which the dip of the directivity is controlled by controlling the gain for the microphone, taking the configuration of FIG. 13 as an example. As shown in the figure (a), the

microphones

1, 2, and 3 are arranged in a straight line, and the initial values of the gains G1, G2, and G3 are respectively set, and dip downwards as shown on the left side of the figure (b). Is facing. In this case, if the gain G2 is made smaller than the initial value, the direction of the dip moves upward as shown on the right side of FIG. In this way, by changing the dip position of the directional characteristics of the microphone according to the position of the speaker's mouth, the S / N level of the voice input to the speech recognition device can be maintained even if the speaker changes. Stable voice recognition processing can be performed.
[0122]
FIG. 51 is a diagram illustrating another example of the arrangement of a plurality of (multi) microphones. As shown in the figure, a plurality of microphones may be attached to the back side of a rearview mirror used for driving an automobile. In this way, it is possible to expand the restrictions on the installation space for a plurality of microphones. In addition, it is possible to reduce the design influence on the interior due to the microphone attachment when viewed from the inside of the vehicle.
[0123]
Each of the plurality of microphones may have omnidirectional characteristics.
[0124]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it becomes possible to sharpen the directional characteristics of the microphone in the range of frequencies used for speech recognition. Therefore, the directivity can be controlled so that the sensitivity becomes a dip.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of directivity characteristics of a linear arrangement of two microphones according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining an outline of directivity of equation (3).
FIG. 3 is a diagram for explaining an outline of directivity of equation (5).
FIG. 4 is a block diagram 1 for directivity formation, showing a configuration example in which a phase shifter is added to a method for summing the outputs of two microphones.
5 is a diagram for explaining an example of numerical calculation results for each frequency of Expression (8), assuming that d = 4 cm and τ = 135 μsec for the directivity of FIG. 4;
6 is a diagram for explaining an example of numerical calculation results for each frequency of Expression (8) with d = 4 cm and τ = 135 μsec for the directivity of FIG. 4;
FIG. 7 is a block diagram 2 for directivity formation, showing a configuration example in which a phase transition is added to FIGS. 5 and 6 based on Expression (6).
8 is a diagram for explaining an example of numerical calculation results at each frequency of Expression (10) with d = 6 cm, CR = 63 μsec, and τ = 87 μsec for the directivity of FIG. 7;
9 is a diagram for explaining an example of numerical calculation results at each frequency of Expression (10), assuming that d = 6 cm, CR = 63 μsec, and τ = 87 μsec for the directivity of FIG. 7;
FIG. 10 is a diagram showing a block diagram 3 for directivity formation.
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of numerical calculation results at each frequency of Expression (11) with d = 6 cm and τ = 120 μsec for the directivity of FIG.
12 is a diagram for explaining an example of numerical calculation results at each frequency of Expression (11) with d = 6 cm and τ = 120 μsec for the directivity of FIG.
FIG. 13 is a diagram illustrating a basic configuration employing a three-microphone linear arrangement integration method.
FIG. 14 is a diagram for explaining the outline of Expression (13).
FIG. 15 is a diagram illustrating a change in 2 sin [(kd / 2) cos θ] / ωτ with respect to ω.
FIG. 16 is a diagram for explaining an outline of directional characteristic degradation;
FIG. 17 is a diagram illustrating the amplitude characteristic of Expression (14).
FIG. 18 is a diagram for explaining an example of a calculation result in which characteristics are improved in frequency using LPF at d = 6 cm.
FIG. 19 is a diagram for explaining an example of a calculation result in which characteristics are improved in frequency using LPF at d = 6 cm.
20 is a diagram for explaining an example of a numerical calculation result of the directivity function D in FIG. 13;
FIG. 21 is a diagram for explaining an example of numerical calculation results of the directivity function D of FIG. 13;
22 is a diagram showing a configuration example of the microphone circuit 10 that embodies the basic configuration of FIG. 13 when d = 6 cm and θ = 45 ° dip or d = 4 cm and θ = 0 ° dip.
23 is a diagram illustrating the differential amplifier circuit 11 of FIG.
24 is a diagram illustrating the high-Q LPF 12 of FIG.
25 is a diagram illustrating an integration circuit 13 that can operate up to the low frequency range of FIG.
26 is a diagram for explaining the adder circuit 14 of FIG. 22;
FIG. 27 is a diagram showing an example of a three-microphone linear arrangement integration method as a multi-microphone system having a directivity characteristic in half of a free space.
FIG. 28 is a diagram illustrating the directivity of equation (37).
FIG. 29 is a diagram illustrating a directivity characteristic of Expression (37).
30 is a diagram showing the arrangement of microphones that realize the directivity of equation (39). FIG.
FIG. 31 is a diagram for realizing a sharp directional characteristic with the microphone arrangement of [1].
FIG. 32 is a diagram for realizing sharp directional characteristics with the microphone arrangement of [3].
FIG. 33 is a diagram showing directivity characteristics in the case of [3].
FIG. 34 is a diagram showing directivity characteristics in the case of [3].
FIG. 35 is a diagram illustrating a numerical calculation result of cos (kd / 2) cosθ, 1 / ωτsin (kd / 2cosθ) in Expression (43).
FIG. 36 is a diagram showing the directivity characteristic changed from d = 2.5 cm to 2 cm in FIG. 32;
FIG. 37 is a diagram showing a directivity characteristic changed from d = 2.5 cm to 2 cm in FIG. 32;
38 is a diagram showing a configuration example in which 1 / jωτ ′ is added to the output of FIG. 32 to sharpen the beam.
FIG. 39 is a diagram showing a specific configuration example of the microphone circuit 10 based on FIGS. 32 and 38;
FIG. 40 shows the transmission for each input in the circuit of FIG.₀/ V_iM|, | V₀/ V_iL|, | V₀/ V_iRIt is a figure which shows the simulation result of the magnitude | size of |, respectively.
41 shows the transmission for each input in the circuit of FIG.₀/ V_iM|, | V₀/ V_iL|, | V₀/ V_iRIt is a figure which shows the simulation result of the magnitude | size of |, respectively.
FIG. 42 shows the transmission for each input in the circuit of FIG.₀/ V_iM|, | V₀/ V_iL|, | V₀/ V_iRIt is a figure which shows the simulation result of the magnitude | size of |, respectively.
FIG. 43 is a diagram showing a linear arrangement of five microphones that satisfy the directivity of equation (51).
44 is a diagram showing the directivity characteristics in FIG. 43 where d = 2 cm and τ = 120 μsec.
45 is a diagram showing the directivity characteristics in FIG. 43 where d = 2 cm and τ = 120 μsec.
FIG. 46 is a diagram showing a linear arrangement of five microphones that satisfy the directivity of equation (53).
FIG. 47 is a diagram showing directivity characteristics with d = 2 cm, τ = 50 μsec, and CR = 30 μsec in FIG. 46;
FIG. 48 is a diagram showing directivity characteristics with d = 2 cm, τ = 50 μsec, and CR = 30 μsec in FIG. 46;
FIG. 49 is a diagram showing an example in which the linear microphones according to the present invention are arranged in an automobile.
50 is a diagram illustrating an example in which the dip of the directivity is controlled by controlling the gain with respect to the microphone, taking the configuration of FIG. 13 as an example.
FIG. 51 is a diagram showing another example of the arrangement of a plurality of (multi) microphones.
[Explanation of symbols]

MIC

1, 2, 3, 4, 5 ... microphone
10 ... Microphone circuit

Claims

In a device that controls the directional characteristics of a microphone that extracts the voice of a speaker under noise,
A plurality of microphones that are arranged in a straight line at equal intervals and input plane sound waves by the sound,
Difference means for taking the difference between the output signals of the second and third microphones arranged on both sides of the first microphone located at the center among the plurality of microphones and outputting a difference signal;
A microphone circuit having addition means for adding the output signal of the first microphone and the difference signal;
An apparatus for controlling the directivity of a microphone, wherein the directivity of the microphone is controlled by adjusting a gain of each output signal.

In a device that controls the directional characteristics of a microphone that extracts the voice of a speaker under noise,
A plurality of microphones that are arranged in a straight line at equal intervals and input plane sound waves by the sound,
Difference means for taking the difference between the output signals of the second and third microphones arranged on both sides of the first microphone located at the center among the plurality of microphones and outputting a difference signal;
Integrating means for integrating the differential signal and outputting an integrated signal;
A microphone circuit having addition means for adding the output signal of the first microphone and the integration signal;
An apparatus for controlling the directivity of a microphone, wherein the directivity of the microphone is controlled by adjusting a gain of the difference means and the addition means.

The microphone circuit is
By taking the difference between the output signals of the second and third microphones arranged on the left and right sides of the first microphone, it has an 8-shaped positive and negative electrode at the central axis of symmetry between the second and third microphones. A differential amplifier forming a figure eight directivity;
An integrator that integrates the result obtained by the differential amplifier and recovers a decrease in directivity characteristics at a low frequency obtained by the differential amplifier;
The output signal of the integrator and the output signal of the first microphone are added, one pole of the 8-shaped directivity obtained by the differential amplifier is eliminated, and the other pole is emphasized to obtain the directivity. A sharpening adder;
The apparatus for controlling directivity characteristics of a microphone according to claim 2 , comprising:

4. The microphone directivity according to claim 3 , wherein a low-pass filter is provided between the differential amplifier and the integrator, and high-frequency compensation of the directivity obtained by the differential amplifier is performed. A device that controls properties.

4. The apparatus for controlling directivity characteristics of a microphone according to claim 3 , wherein an intermediate point of a feedback resistor relating to an operational amplifier included in the integrator and a ground are short-circuited in an AC manner.

5. The apparatus for controlling directivity characteristics of a microphone according to claim 4 , wherein the capacitive feedback section of the operational amplifier included in the low-pass filter is a capacitive divider circuit.

The directivity characteristic D output from the adder is k = ω / c, where the angular frequency is ω, the speed of sound is c, the distance between the microphones is d, the input angle of the plane sound wave is θ, the integration constant is τ. When
D = 1− (2 / ωτ) sin (kd cos θ)
The apparatus for controlling directivity characteristics of a microphone according to claim 3 , wherein

The plurality of microphones includes the first microphone, left and right second and third microphones sandwiching the first microphone, and left and right fourth and fifth microphones disposed outside the second and third microphones, The sound plane sound wave is input to each microphone,
The microphone circuit processes an output signal of each microphone to form a first eight-shaped directivity characteristic having a figure-eight shape and having positive and negative electrodes on the axis of symmetry. Clear the one pole of directional characteristics emphasized the other pole, further claim 3 to form a new directivity characteristic obtained by multiplying the shaped directional characteristic of the second 8 directional characteristic erase stressed That controls the directivity of a microphone.

The new directivity characteristic D is as follows: angular frequency is ω, sound speed is c, distance between the microphones is d, input angle of the plane sound wave is θ, integration constant is τ, and k = ω / c.
D = {1- (2 / ωτ) sin (kdcosθ)} · sin (kdcosθ)
The apparatus for controlling directivity characteristics of a microphone according to claim 8 , characterized in that:

The apparatus for controlling the directivity of a microphone according to claim 8 , wherein the microphone circuit performs an integration process on the new directivity.

The microphone circuit has a common plane sound wave of the second microphone and the first microphone for the first to fifth microphones, and a common plane sound wave of the third microphone and the fifth microphone. 9. The apparatus for controlling the directional characteristics of a microphone according to claim 8 , wherein the directional characteristics of the microphone are processed as output signals of the center and left and right microphones, and the new directional characteristics are approximately obtained.

The microphone circuit shares the plane sound waves of the third microphone and the first microphone and the plane sound waves of the second microphone and the fourth microphone as output signals of three central and left and right microphones. 9. The apparatus for controlling the directivity of a microphone according to claim 8 , wherein the new directivity is processed approximately.

The microphone circuit shares the plane sound waves of the fifth microphone and the third microphone and the plane sound waves of the fourth microphone and the second microphone as output signals of the three central and left and right microphones. 9. The apparatus for controlling the directivity of a microphone according to claim 8 , wherein the new directivity is processed approximately.

The microphone circuit multiplies the output signal of the central microphone by a gain of 2 for the output signals of the three microphones consisting of the central microphone and the left and right microphones, and gains-to the output signals of the left and right microphones, respectively. 1 to perform the first addition, and further to perform a first integration process, multiply the output signal of the left microphone by a gain of 1, multiply the output signal of the right microphone by a gain of −1, and The apparatus for controlling directivity characteristics of a microphone according to claim 13 , wherein a second addition is performed on the result of the integration processing of 1 and further a second integration is performed.

The new directivity characteristic D is as follows: angular frequency is ω, sound speed is c, distance between the microphones is d, input angle of the plane sound wave is θ, integration constant is τ, and k = ω / c.
D = {1- (2 / ωτ) sin (kdcosθ)} · {1-cos (kdcosθ)}
The apparatus for controlling directivity characteristics of a microphone according to claim 8 , characterized in that:

The new directivity characteristics D are as follows: angular frequency is ω, sound velocity is c, microphone interval is d, plane sound wave input angle is θ, integration constant is τ, delay constant is CR,
When k = ω / c,
D = (− j4 / ωτ) sin (kd / 2cos θ−tan ⁻¹ ωCR) · {1-cos (kd / 2cos θ)}
The apparatus for controlling directivity characteristics of a microphone according to claim 8 , characterized in that:

The apparatus for controlling the directivity of a microphone according to any one of claims 3 , 8 and 13 , wherein the directivity of a high frequency is enhanced by narrowing the interval between the microphones.

The directional characteristic of the microphone according to any one of claims 1 to 17, wherein a dip direction in the directional characteristic of the microphone is specified by a mounting position of the plurality of microphones in a vehicle cabin. apparatus.

Said microphone circuit, by varying the respective gains of the first through third microphone according to any one of claims 1 to 18, characterized in that the direction of the dip in the directional characteristics of the microphone in the variable A device that controls the directional characteristics of a microphone.